基于混凝土徐变的桥梁施工控制研究

欧阳腾

广东冠粤路桥有限公司 广东 广州 510000

在近年的桥梁建设中，连续刚构桥因其整体结构好、强度适中、跨度大、操作平稳方便、桥形简洁明了等优点而被广泛采用。但是，刚构桥的设计和施工还有很多问题需要解决，影响连续刚构桥发展和既有桥梁使用寿命的技术问题仍然存在。其中，混凝土的徐变在连续刚构桥的设计与施工中是不可回避的关键课题。徐变是混凝土材料随时间而产生变化的一种固有特性，这一特性存在于其整个设计基准期，即桥梁从施工到建成再到使用过程中都有徐变在结构中发生。这不仅影响了桥梁的美观和造型，也阻碍了桥梁的正常使用。为此，研究根据预应力混凝土徐变影响因素及挠度变化，提出了一种综合的徐变控制方法，以实现桥梁施工的控制。

1 外环特大桥工程概况

主体设计内容:外环特大桥桥梁全长1017m，桥宽2×16.75m，桥梁上部结构采用预应力砼组合箱梁+预应力砼连续箱梁+预应力砼组合箱梁+预应力砼连续刚构+预应力砼组合箱梁，下部构造采用柱式墩、薄壁墩、花瓶墩，桥台采用肋式台，基础均采用钻孔灌注桩基础。外环特大桥主桥采用85+150+85m三跨预应力混凝土连续刚构桥，分幅布置，单幅桥宽16.75m。主桥平面位于直线上，箱梁顶面横坡为-2%，全桥箱梁底板水平。主梁采用单箱单室截面。箱梁根部梁高9.0m，跨中及边跨现浇段梁3.5m，梁高采用2次抛物线；箱梁顶板宽16.75m，厚30cm，最长块段为4.0m，底板宽8.75m，厚32～200cm；箱梁腹板厚度由1#梁段至合拢段分别为厚90～70cm～50cm。主桥最大悬臂长度74m，其中1#～19#节段采用挂篮对称悬臂浇筑。悬浇挂篮在0号梁段上安装完毕后以1.2倍重量进行预压测试，并记录预压时的弹性变形曲线，以尽可能消除非弹性变形和获得标高控制数据。

技术要求：1、公路等级：一级公路兼城市主干路；2、设计行车速度：60km/h；3、汽车荷载等级：公路——Ⅰ级、城——A级；4、外环特大桥主桥桥梁宽度：桥梁按上下行分离设置，跨韩江路段桥宽为36m，桥宽组成为:0.50m(防撞护栏)+3m(人非通道)+0.50m(防撞护栏)+12.25m(桥面净宽)+0.50m(防撞护栏)+2.5m(幅间间隙)+0.50m(防撞护栏)+12.25m(桥面净宽)+0.50m(防撞护栏)+3m(人非通道)+0.50m(防撞护栏)。外环特大桥主桥桥型布置图箱梁采用纵、横、竖三向预应力体系，纵向分为顶板束、腹板下弯束、顶板合拢束和底板合拢束；箱梁腹板竖向预应力采用二次张拉预应力钢绞线体系，顶板横向预应力采用单端张拉，配扁锚体系。

2 工程实例建模计算

研究采用本地大跨径连续刚构桥外环特大桥作为建模对象。主桥整体采用跨径为（85+150+85）的预应力混凝土连续刚构，施工方法采用悬臂浇筑法，上部结构箱梁采用变截面形式，中间采用直线过渡，采用的浇筑材料为C55；下部基础桩为承台与钻孔灌注结合形式，主墩及过渡墩为混凝土薄壁墩。主桥结构如图1所示。

图1 主桥结构示意图

由于外环特大桥连续梁上部结构为单箱单室箱形梁，在施工阶段，梁的受力相对于主梁截面中线而言偏心荷载很小或没有。其主要受力为自重、预应力、挂篮以及施工过程所产生的临时荷载等。故在采用BRCAD软件对其进行挠度计算时仅采用普通梁单元即可达到工程所需的精度。桥梁施工监控和分析的有限元计算模型如下：根据建设整个桥梁的上部结构分为83个节段单元，按照实际的施工状况将整个过程进行分段。将其分为挂篮前移就位、浇筑混凝土、张拉预应力束三个阶段。徐变对连续刚构桥挠度的影响可以从桥面施工后节点的位移得到：

在靠近悬臂端的跨中考虑混凝土收缩徐变时，最大节点位移为121.5mm，在不考虑收缩徐变的影响的时候，得到的位移结果较真正位移降低了30%左右，这样的结果并不准确。

悬臂端点受徐变影响最大。这与悬臂自身结构有关，因为悬臂根部受影响极小，几乎没有位移。同时悬臂端浇筑混凝土时间很短，且预应力效果使其位移数值在已浇筑过部分的悬臂累计的位移之内波动，因此其不受混凝土收缩影响。混凝土的徐变对于桥梁日常监测影响十分大，由于混凝土受力而产生相应的徐变，若未考虑徐变影响因素，则计算得到的桥梁应力将并不准确。为使结构实测应力值更接近实际值，需要对实际梁桥进行模型试验，获取反映实际桥梁徐变发展规律的参数，并对实测值进行处理[1]。

3 施工过程中减小后期桥梁挠度的方法探究

3.1 确定合适的合拢部分配重

跨径较大的桥梁在施工最后阶段，需要将两端结构进行合拢，其中对应的配重对于合拢阶段来说十分重要。一般情况下，合拢部分的配重是在消除两端高差并考虑顺畅合拢的同时，能够保证满足设计完成标高的要求与平直度的情况下确定[2]。但目前在合拢段施工时进行徐变控制的方法并不多，为此，研究根据影响预应力混凝土徐变和挠度变化的因素，提出通过改变该段配重以控制桥梁的长期徐变。在合拢段施工的荷载以及结构内力的大致变化情况如图2所示。

图2 合拢段施工荷载以及结构内力大致变化情况

在合拢段混凝土硬化的过程中，实际上发生了结构体系的转化[3]。这是一个应力和能量的“储存”过程，合拢后混凝土成为超静定结构。在这个过程中，吊篮和附加配重产生的弯矩内力被存储到其中。这种应力在传统预应力的基础上增加了一个卸载过程。该应力属于自平衡力的范畴，是桥梁构件截断面产生的拉应力和压应力之间的平衡结果。弯矩通过对桥梁本身进行拉动，受结构重力影响。因此，这种预应力可以减少结构产生的长期徐变挠度，此外，随着徐变逐渐产生，该预应力也逐渐较少。根据SAP软件中模拟变化计算结果发现，全桥合拢一年后，以配重变化10吨为节点，将各项指标变化情况进行记录，弯矩平均值变化约2180 KN/m，徐变位移增加了0.1mm～5.2mm，扰度变化值为60.5mm。如果可以在设计公差范围内最大化配重，则可以将桥梁中跨部分的徐变挠度减少至少 2～3cm。这是一种更方便的施工方法，不需要额外的工时或工期，只需改变配重的加载量。且施加的“预应力”均匀分布在整个跨度上，不存在沿程损失。

3.2 混凝土膨胀减小收缩徐变

根据热胀冷缩原理，混凝土收缩亦可看作是对应结构温度的变化，同样也可以看作在进行构造过程中的尺寸误差或弹性变量产生改变。混凝土的收缩很难直接预测，因为弹性模量的连续变化过程与内力有关，并不具有线性的变化规律。可以通过模拟温度的变化来探索确定弹性模量的变化情况，得到模量变化之后，将其运用于徐变计算。混凝土的收缩徐变和膨胀两者并存且对立，膨胀能够有效缓解徐变对位移产生的影响，在纵向上缩短梁的长度。在连续钢架施工中，通常使用千斤顶来固定特定端部，实现合龙段的施工。预应力混凝土是一种超静定的体系，其由混凝土和预应力筋组成，膨胀为其中力的产生过程。故研究通过膨胀剂使混凝土膨胀，进而增加预应力，以此减小徐变挠度。

3.3 密封涂料法

从徐变机理来看，研究发现大部分混凝土收缩是由混凝土干燥脱水引起的，其次是碳化收缩。在影响混凝土压缩的因素中，相对湿度是影响混凝土收缩的关键因素。此外，影响徐变的其他因素皆与其中水分的迁移或运动有关。因此，研究提出了一种使用密封漆的方法，以减少桥梁形成后期收缩和徐变的影响。为防止混凝土失水，在桥梁混凝土表面涂上防潮封闭漆，组织混凝土内外水分交换，使其与周围介质湿度平衡。

3.4 设计备用钢束

桥梁中易出现跨中下挠现象，桥梁箱梁设计时可在其中跨跨中隔板底部和悬臂块段腹板同时浇筑的转向块预设备用体外预应力钢束，位置选定于箱梁中跨跨中隔板底部的边缘和底板转向块A、腹板转向块B1、腹板转向块B2、腹板转向块B3的地方。根据钢束负弯矩抵消方式，将增加钢束后对20年内桥跨挠度进行模拟分析，结果如图3所示。

图3 模拟软件中桥梁增加钢束后20年内徐变曲线

由图3可知，桥梁边跨挠度在使用初期至20年基本无变化，而中跨的挠度随着时间的推移逐渐减少，减少了约2.5mm。以此可证明备用钢束的添加能够有效较少徐变。在施工过程中可以考虑在原始配备的钢筋设计基础之上，调整顶板和底板的钢筋数量。此外，若出现桥梁跨下挠的情况，可以适当地减少顶板钢束的数量，同时增加底板钢束的数量。

3.5 延长桥面铺装时间

桥梁铺装结构在桥梁中具有不变的恒力，对后期桥梁的变化影响较大。桥面铺装的时间与结构的稳定性呈正相关关系，因此，若想要控制徐变可从铺装时间上着手。外环特大桥铺装时间原本为35d，先分别将铺装时间延长不同的天数，然后对桥跨变形进行模拟，最终得到分析结果。结果表示，铺装时间延后到180d时，徐变缩减了近5.2mm，得到了有效减少。考虑到施工的整体工期以及工人的工作时间，在180d内完成桥面铺装是符合总体工期的。在实际应用中，在进行桥面铺装时间规划时，需根据当前道路的修建进度，有针对性地决定何时开始铺装。

4 不同施工顺序对后期徐变影响

一般的桥梁合龙阶段，施工顺序为先边后中，极少数为先中后边的顺序。采取先边后中顺序的施工过程中，桥梁整体结构的超静定状态由低次转变为高次。结构中的受力变化情况较为明显，对于徐变的控制来说，可操作性更强。采取先中后边顺序进行施工的合龙阶段，主体结构的受力情况由最开始的高次超静定转变为荷载力。由此可知，不同的施工顺序，结构中内力状态也是不同的。这间接导致了桥梁施工结束后产生的徐变也不一样，对于其后期控制需要采用不同的方法。研究通过对两种不同施工顺序的成桥内力进行分析，确定在施工中控制徐变的最佳顺序。研究通过分析两种不同施工顺序的成桥内力，确定了能够有效控制徐变的最佳顺序。因为在合龙阶段，平衡作用下的部分配重在施工结束后需要进行拆除，所以研究在分析不同顺序的过程中将配重与张拉底板的预应力筋忽略，仅对现浇段和合龙段的自重进行考虑。

利用BRCAD软件将外环特大桥模拟两种施工方式，并计算出成桥弯矩进行对比。通过分析可以得到，悬臂根部较端部受影响更大。根据计算结果发现，两种施工顺序下，中跨产生的成桥弯矩较边跨更大。通过进一步的比较分析可知，施工顺序较合龙段配重对于桥梁徐变的影响更大。由此可得出，采用先边跨后中跨的施工顺序能够得到更好的控制效果。

5 结语

综上所述，对桥梁悬臂的挠度控制在施工进程中有着十分重要的地位，控制过程中混凝土的收缩徐变为主要影响因素。因此，在后期采用以下方法控制连续刚构桥梁的挠度和徐变。

（1）从节段施工时间上，可以在悬臂施工的过程中适当延长桥面铺装的时间。

（2）在使用徐变减小策略方法时，可重点对悬臂根部进行应用，因为根部的位移变化对整体结构影响较大。

（3）在合拢段的施工过程中，可以对相应配重进行适当调节，保证在设计范围内选用最大配重，以此较小后期徐变。

（4）在进行混凝土浇筑时，可适当加入膨胀剂于其中，补偿混凝土徐变。

（5）在施工中最好选用先边跨后中跨的施工顺序，适当增加备用钢束。

（6）在桥梁的各个施工阶段，可以通过涂抹密闭材料的方式，减少混凝土与外部的接触，避免水分流失，进而减小混凝土的收缩徐变。